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Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
Capítulo 3
ESTRUCTURACIÓN CON ELEMENTOS
PREFABRICADOS
3.1 SISTEMAS DE PISO
Dependiendo del peralte de la losa, se pueden emplear para
cubrir diversos claros, principalmente entre 8 y 12 m, aunque se
producen en el país este tipo de losas para claros menores, a
partir de 3 m.
3.1.1 Introducción
El empleo de sistemas de piso de concreto prefabricado puede
ser un paso importante en la solución del problema de vivienda
en México. También son útiles en edificaciones para otros fines
como comerciales, industriales u oficinas. En la actualidad,
principalmente por la poca difusión en México de este tipo de
sistemas de piso, su empleo no ha sido muy amplio. Sin embargo,
dada la tendencia actual de cambios asociados a procesos de
innovación tecnológica, es de esperarse que en un futuro
cercano se utilicen más los sistemas de piso prefabricados.
Las losas T que se producen en México para edificaciones,
cubren claros desde 6 m hasta alrededor de 12 m. Algunas
secciones T y TT cubren claros mayores, entre 10 y 25m.
3.1.2 Vigueta pretensada y bovedilla
El sistema de piso denominado Vigueta y Bovedilla está formado
por elementos pretensados portantes (vigueta pretensada),
bovedilla de cemento-arena y una losa de compresión hecha de
concreto de f’ c = 200 kg/cm2, con espesor mínimo de 4 cm. La losa
generalmente está armada con una malla electrosoldada 6x610/10 y rodeada perimetralmente con una cadena o trabe
armada con 4 varillas y estribos en la que la vigueta penetra por
lo menos 5 cm. La Figura 3.1 muestra un detalle general del
sistema constructivo a base de vigueta y bovedilla. Este sistema
se usa actualmente en casas y edificios de 1 a 5 niveles,
básicamente en los proyectos de interés social que ejecutan los
organismos oficiales y particulares. El reglamento de
construcciones del Distrito Federal no contiene nada referente a
este sistema de piso, por lo que en este Manual se dan
comentarios y recomendaciones al respecto.
Los tipos de sistemas de piso más comunes en México que se
describen de manera detallada más adelante se pueden dividir
en tres grupos:
•
•
•
Vigueta y bovedilla, y doble T de poco peralte (h < 30 cm)
Losa alveolar o extruida
T, TT y ATT para claros grandes
El sistema a base de vigueta y bovedilla, así como la TT de poco
peralte, se emplean principalmente en edificaciones habitacionales
hasta de cinco niveles, aun cuando es factible su uso en
edificaciones de mayor altura.
Las losas alveolares se fabrican en un molde con un proceso de
extrusión, quedando una sección transversal hueca.
41
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
El sistema de vigueta y bovedilla ha sido satisfactorio en
edificaciones habitacionales de pocos niveles pero su uso no está
restringido solamente a estas edificaciones. Se ha utilizado en
edificios de 10 y 15 niveles, puentes peatonales y vehiculares,
techumbres de naves industriales, losas para tapar los cajones de
cimentación, estacionamientos y andenes de carga y descarga,
claro de cálculo la longitud de la vigueta (por ejemplo, para un
claro de 500 cm; h = 500/25 = 20 cm).
3. Selección del peralte de la vigueta a usar en el sistema
La capacidad de carga gravitacional del sistema está dada por
dos variables:
a)
b)
La cantidad y fuerza de tensado del acero de presfuerzo de
las viguetas.
La distancia que hay del centroide del acero de presfuerzo a
la fibra superior en compresión (lecho alto de la losa o capa
de compresión).
Bajo este razonamiento, cualquier vigueta que tenga la cantidad
de acero requerida puede usarse y estará dentro de los límites
razonables de costo.
4. Procedimiento para evaluar si se requiere que el sistema se
apuntale antes y durante el colado del firme, losa de compresión
Figura 3.1 Sistema de piso de vigueta y bovedilla
Las cargas que van a actuar durante el proceso de construcción
de un sistema de vigueta y bovedilla son:
entre otros.
a)
Los fabricantes de vigueta pretensada las producen con distintos
peraltes. Por ejemplo: h= 11, 13, 14, 15, 16, 20 y 30 cm. Las
bovedillas de cemento-arena se fabrican en alturas de 13, 14, 15,
16, 20 y 26 cm y en cualquier altura cuando se trata de bovedilla
de poliestireno.
b)
c)
Con la suma de estas tres cargas se consulta el manual del
fabricante para seleccionar el peralte y tipo de viga que se
recomienda para cada claro. Se debe tener en cuenta que la
distancia del centroide del acero a la fibra superior en compresión corresponde a la de la vigueta como elemento aislado.
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA
DE VIGUETA Y BOVEDILLA
1. Determinación de las cargas actuantes
a)
b)
c)
Peso propio de la vigueta y bovedilla (dado por el fabricante
de los elementos)
Peso propio del concreto de la losa de compresión (2,200
kg/m3)
Carga viva de los trabajadores (se consideran 100 kg/m2)
La solución más económica será cuando coincida la vigueta que
se requiere durante el proceso constructivo, con la vigueta que
se requiere para las cargas finales a que va a estar sometido el
sistema. Si la viga requerida durante el procedimiento de
construcción tiene que ser de mayor peralte y tener más acero
que la viga requerida para el sistema, se recomienda usar la viga
seleccionada para el sistema y apuntalarla durante el proceso de
construcción.
Carga muerta (peso propio del sistema), se debe
seleccionar el peralte total del sistema y el tipo de bovedilla a
usar, por ejemplo, de cemento-arena, pómez, poliestireno o
sin bovedillas utilizando módulos recuperables
Acabados
Carga Viva
2. Selección del peralte total del sistema
La distancia del apuntalamiento está dada por
La Norma Oficial Mexicana de Vigueta y Bovedilla NOM-000SCFI-1995 estipula que el peralte total h del sistema debe ser
mínimo el claro de cálculo dividido entre 25, entendiéndose por
l=
42
8*M
w
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
donde:
l =
M=
w=
de los fabricantes para encontrar el tipo de vigueta que satisfaga
estas condiciones (por ejemplo, franja de ancho unitario).
Distancia entre puntales
Momento de la viga que usará el sistema sin factor de
reducción o aumento)
Carga uniforme actuante durante el apuntalamiento
(total: peso de viguetas, bovedillas, concreto y
trabajadores)
Tableros Continuos: Para tableros continuos de varios claros, lo
que se recomienda es que se distribuya la vigueta de forma tal
que sean colineales para entonces analizar una franja de ancho
unitario y aplicar cualquier método de distribución de momentos.
Del diagrama de momentos flexionantes se determina el acero
superior de la vigueta y se toma el ancho de la vigueta como
bloque de compresión, se arma por momento negativo con
bastones encima de la vigueta en los apoyos, considerando el
peralte total del sistema. Para momento positivo se busca el tipo
de vigueta a usarse como si fuera tablero aislado (buscar en los
manuales de los fabricantes).
Ejemplo. Se empleará como ejemplo un edificio de 3 niveles para
estacionamiento, con una planta de 24 x 30 m, con separación a
ejes de 12 y 10 m respectivamente. Para estos casos lo más
recomendable es colocar trabes intermedias para dividir los ejes
de 10 m y obtener claros de 5m para el sistema de vigueta y
bovedilla, quedando como se indica en la siguiente figura.
5. Obtención del peralte de la losa de compresión y determinación
de qué tipo de malla electrosoldada debe colocarse.
Se efectúa el análisis de una franja de losa apoyada sobre las
viguetas pretensadas (por ejemplo 70 ó 75 cm). Se analiza con
las cargas a las cuales va a estar sujeta esta losa de acuerdo a
su uso (carga muerta + carga viva). Se diseña como si fuera una
losa de concreto reforzado calculando el refuerzo por la teoría
plástica y revisado por cortante y por deflexiones
La recomendación en losas para uso habitacional es que la losa
de compresión deberá tener un peralte mínimo de 4 cm sobre la
bovedilla armada con malla 6x6-10/10 y concreto de f´c= 200
kg/cm2. Para otros usos el peralte y armado deberá determinarse
con el método descrito anteriormente, pero no será menor que 5
cm de peralte. El concreto deberá ser de al menos 200 kg/cm2 de
resistencia y el refuerzo no debe ser menor que una malla
electrosoldada de 6x6-10/10.
10
10
10
Una vez determinados los puntos 1 a 5 se procede a efectuar el
análisis final que se describe a continuación.
10
10
12
10
12
12
trabes secundarias
12
viguetas @ 75 cm
1. Cargas
Losa de vigueta y bovedilla, h=500/25=20cm 250 kg/m2
Acabados de piso
100 kg/m2
c. viva (RCDF)
250
kg/m2
600 kg/m2
ANÁLISIS FINAL
Analizando una franja unitaria longitudinal con las cargas totales
tenemos para el sistema con cargas totales para su uso.
Tableros Aislados: El análisis es relativamente sencillo. Se
calculan los elementos mecánicos (momento flexionante y fuerza
cortante) en la parte más desfavorable y se observa en la tabla
w = 0.6 T/m
43
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
claro
FD
MI
MD
T
MD
MF.
V
1.25
C
0.27
Vf
0.98
Donde:
FD
MI
MD
T
MF
V
C
Vf
5
5
0.43 0.57
-1.56 1.04
0.22 0.30
-1.34
-1.25
-0.27
-1.52
1.34
1.25
0.08
1.33
5
0.5
-1.04
---0.15
0.07
-0.96
-1.25
0.08
-1.17
0.5
1.04
-2.99 0.73
0.97 1.29
0.5
-1.04
-2.02 2.02
0.1
0.07
0.96
1.25
-1.04
-1.25
1.25
1.25
Descartamos esta posibilidad, ya que la anterior es más crítica.
ANÁLISIS DE LOS TABLEROS DURANTE EL PROCESO
CONSTRUCTIVO
Vigas aisladas
= Factor de distribución
= Momento inicial
= Momento distribuido
= Transporte
= Momento final de la distribución
= Cortante isostático
= Corrección por momento
= Cortante final
Considerando la viga simplemente apoyada:
Cargas de peso propio +100 kg (carga viva).
w = 0.45 T/ml
Claro
5.00
M=
1.41
V=
1.13
Por lo tanto tenemos los siguientes elementos y condiciones:
El RCDF-93 requiere considerar en el análisis una carga
adicional de 1.5 T en el punto más desfavorable. Por lo tanto
analizaremos esta condición.
P=1.5 T
P=1.5 T
Para la viga sola autoportante: M = 1.41 T m, V = 1.13 T
P=1.5 T
Para la viga del sistema: M = 1.89 T m, V = 1.98 T
w = 0.35 T/ml
claro
5
Mw
MF
V
C
Vf
1.55
0.43
1.12
5
0.43
-1.09
-1.4
-2.49
0.35
0.57
0.73
0.95
1.68
0.46
-2.14
-2.14
-1.55
0.43
-1.98
2.14
2.14
1.55
0.13
1.68
-0.73 0.73 -0.73
0.64
-0.32 -0.32
-0.41 0.41 -0.73
Y corresponden de la tabla del fabricante.
1er caso en viga P20 T-7 (sola)
2º caso en viga P13 T-8 (sistema)
5
0.5
-0.73
-0.95
-1.61
0.23
-0.12
0.5
0.73
0.95
1.61
0.5
-0.73
-0.95
-1.61
-1.49
-1.55
0.13
-1.42
1.49
1.55
-1.61
-1.55
1.55
-1.55
La determinación final por costos, en este caso sería P13 T-8.
Se realizó otro análisis aumentando el peralte del sistema a h=25
cm; cambiando la bovedilla a poliestireno, se ahorrarán 25 kg/m2
Por peso propio, tomando los mismos elementos mecánicos,
tenemos:
2
Pl wl
M
M+ =
+
−
4
8
2
1.5x5 0.35x52 2.14
M+ =
+
−
= 1.89 T − m
4
8
2
Tomando la carga concentrada solamente en el 1er tablero.
1.5 T
w = 0.35 T/ml
Vf = 1.98 T
De las tablas de los fabricantes se desprende que para la viga
P13 T-4
M R = 1820 kg-m < 1890 kg-m
44
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
As =
VR = 3052 kg > 1980 kg
De aquí hay que comparar el costo de las viguetas P13 T-8
contra P13 T-4 y la bovedilla cemento-arena 75/25/16 contra la
bovedilla 75/25/20 de poliestireno, y escoger la opción más
económica.
13500
= 1.2 cm 2
2500x0.9x5
que la malla 6x6–6/6 cumple.
En el apoyo el brazo de palanca aumenta, por lo tanto se deja el
mismo armado (malla).
El apuntalamiento está dado por:
TABLEROS AISLADOS
M R = momento resistente de la viga seleccionada por el sistema
(P13, T-4, MR= 0.302 T-m )
l=
8MR
=
w
Para tableros aislados el análisis es muy simple, se calculan los
elementos mecánicos (momento flexionante y cortante) en la
sección más desfavorable y se entra a las tablas de los
fabricantes, para encontrar el tipo de viga que satisfaga estas
condiciones.
8 * 0.302
= 2.31 m
0.45
Para obtener el peralte de la losa (firme) de compresión, se
procede a analizar una franja unitaria continua sobre viguetas.
Por ejemplo (franja de ancho unitaria).
w = 0.35 T / m
Para nuestro ejemplo, la franja unitaria sobre viguetas será la
siguiente: la carga concentrada corresponde a una sola llanta de
una camioneta Suburban cargada (3 toneladas de peso propio +
pasajeros + gasolina + equipaje)
1.5 T
2.5 m
0.75 T
5.00 m
w = 0.5 T / ml
claro
75cm
FD 0
0.43
-0.04
-0.1
MT
-0.14
MD
0.05
T
MD
MF
-0.09
V
0.56 -0.56
C
0.12 -0.12
Vf
0.44 -0.68
75cm
75cm
0.57 0.50 0.50 0.50
0.02 -0.02 0.02 -0.02
0.02
0.07
0.09
0.19
0.12
0.31
-0.02
0.02
0.03
-0.01
0.00 0.00
-0.19 0.19
0.12
-0.07 0.19
Md =
Pl wl2 1.5x5 0.35x52
+
=
+
=2.97T−m
4
8
4
8
En la Tabla 3.1, de 25+5 con viga P 13, vemos que la -t5
satisface una wserv = 3.116 = 2.97 T-m, por lo que se acepta.
-0.02
Se coloca el acero correspondiente al 25 por ciento de Md.
-0.02
-0.02
-0.19
As=
-0.19
= 1 Ø ½ ” arriba de cada nervadura
Nota: 0.75 m2 = área tributaria de cada vigueta
Con este momento al centro del claro se diseña la losa por
momento y cortante. Por ejemplo:
0.25x2.96x0.75
=1.10 cm 2
2000x0.9x28
TABLEROS CONTINUOS
Para nuestro ejemplo se debe obtener la cantidad de acero que
requiera sobre los apoyos (recordando el ejemplo anterior)
680
d=
= 1.36 cm por cortante
100x5
tomamos h = 5 cm
cantidad de acero para h = 6 cm
2.98
2.98
2.1
45
2.98
1.07
1.07
5.00
1.5
1.82
5.00
1.34
1.55
5.00
As0
As 1
As 2
As
Viga P13 T-4 Viga P13 T-4 Viga P13 T-4
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
A s2 =
150000
=3.79 cm 2
2000x0.9x22
A s3 =
161000
=4.07cm 2
2000x0.9x22
Por norma
A s0 =
Para los momentos negativos (bastones):
A s1=
1 182000
=1.15 cm 2
4 2000x0.9x22
Los momentos positivos de diseño en vigas son: M = 1.91 T-m, M
= 1.07 T-m y M = 1.34 T-m
M
214000
=
=5.40 cm2
fs jd 2000x0.9x22
TIPO
VIGUETA
6
1
DE
FLEXION POSITIVA (POR M) (4)
2
(25+5)*75 con T.13
3
4
5
6
7
8
9
MTO.
MTO.
ULTIMO
FISUR
RIGIDEZ m2.Mp/m
m.Kp/m m.Kp/m TOTAL FISUR
1022
1687
2532
3250
4115
4830
5550
5626
6504
1003
1392
1848
2423
3116
3691
3795
3859
4591
1743
1743
1743
1743
1743
1743
1743
1743
1743
-
FLEXION NEGATIVA (POR M) (4)
MTO. ULTIMO
RIGIDEZ
MTO.
REFUERZO
(m.Kp/m)
FISUR
(m2.Mp/m)
SUPERIOR POR
SECCION SECCION
NERVIO
TIPO
MACIZA
m.Kp/m TOTAL FISUR
MTO. DE SERVICIO SEGÚN
AMBIENTE (m.Kp/m) (5)
I
II
III
1022
1003
488
1658
2119
2698
3396
3975
4082
4147
4884
1No. 8 + 1No. 6
-
-
126
2779
2No. 8
-
-
157
2779
1No.10 + 1No. 8
-
-
196
2806
1No.12 + 1No. 6
1778
-
211
2896
1317 2No.10
1No.12 + 1No. 8
1973
-
231
3015
2045
-
239
3060
1884 1No.12 + 1No.10
2No.12
2393
-
273
3279
2794
-
313
3531
2568 1No.16 + 1No. 8
1No.16 + 1No.10
3084
-
340
3680
3417
-
371
3685
3134 1No.16 + 1No.12
3No.12
3801
-
406
3685
4096
4318
430
3685
3231 1No.16 + 2No.10
2No.16
4326
4554
448
3685
4844
5099
489
3685
3294 1No.16 + 2No.12
2No.16 + 1No. 8
5129
5407
512
3685
5408
5714
533
3685
4016 2No.16 + 1No.10
2No.16 + 1No.12
5723
6069
558
3685
6081
6483
586
3685
6286
7546
654
3685
8891
735
3685
1392
1848
2423
3116
3691
3795
3859
4591
870
3No.16
1No.20 + 2No.16
3.1.3
CORTANTE
ULTIMO POR M
Kp/m
TIPO DE FORJADO
Tabla 3.1 Ficha de características técnicas de vigueta pretensadas
Sistema de módulos recuperables Premex cimbra
2268
1743
obtiene es agradable, por lo que se puede prescindir del yeso.
La Figura 3.2 muestra un detalle general de la losa para este tipo
de sistema de piso.
Este sistema constructivo de losas con vigueta pretensada difiere
del anterior en que se substituye la bovedilla por un módulo
recuperable de fibra de vidrio que se usa como cimbra. Aquí la
gran ventaja es que se ahorra el costo de la bovedilla y se
reduce el peso propio del sistema en 30%. El acabado que se
El procedimiento de análisis y diseño es el mismo que para la
vigueta y bovedilla, pero en este caso el peso propio es menor.
Su uso no está restringido para ninguna construcción ya que su
46
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
claros de 8 a 14 m, y con sobre cargas útiles altas de 500 a 2000
kg/m2.
En la mayor parte de los casos sobre estos elementos se cuela
una losa (firme), con f ´c = 250 kg/cm2, armada con malla por lo
general 6x6–8-8 y 6x6–6–6, la cual cumple con dos fines:
a)
b)
Figura 3.2 Sistema de módulos recuperables
Sin embargo, estos elementos también se pueden emplear sin el
firme cuando la aplicación no lo requiera (por ejemplo,
estacionamientos, entrepisos de bodegas, centros comerciales).
aplicación es muy variada: desde vivienda de interés social,
hasta edificaciones que lleven falso plafón o que no requieran de
él; por ejemplo: bodegas, estacionamientos, etc. Es ideal por su
ahorro en el peso de la estructura, para efectos sísmicos, de
cimentación y en los tiempos de ejecución.
3.1.4
Lograr un efecto de diafragma al darle mayor
comportamiento monolítico a la losa
Ayudar a evitar problemas de filtraciones de agua al tapar
las posibles fisuras de las juntas entre elementos
Los peraltes más comunes que se fabrican en México son: h=10,
15, 20, 25 y 30 cm, con anchos que pueden ser de 1.00 m y
1.20 m. Si llevan losa de compresión aumentan su peralte. Se
recomienda que el firme tenga un peralte mínimo de 5 cm
pudiendo ser mayor, (por ejemplo 10 cm), lo que dependerá del
uso de la losa, cargas, claros a cubrir, etc.
Sistemas de piso de losas extruidas doble T de
pequeño peralte (h = 30 cm)
El sistema de fabricación a base de extrusión se realiza con una
máquina que corre a lo largo de una mesa de fabricación,
depositando el concreto por medio de vibración y compactación
sobre dicha mesa. La sección del elemento que se cuela
dependerá del molde propio de la máquina, por lo que en una
mesa se podrán fabricar diferentes secciones. Existen varias
marcas y por lo tanto secciones en el mercado.
Una de las secciones que se extruyen es una losa de sección
doble T de 30 cm de peralte. Como su nombre lo indica, es una
losa con dos nervios unidas en la parte superior por una losa de
100 cm de ancho y 4 cm de peralte. El elemento precolado se
apoya con los nervios en una trabe, de la cual se dejarán los
estribos sobresaliendo para integrar la losa con el firme y la trabe
de apoyo.
Figura 3.3 Vista inferior de viga ATT
Cabe mencionar que el tipo de refuerzo de estos elementos varía
de país a país Por ejemplo, en Europa es común usar alambre de
presfuerzo de 4 mm de diámetro, en Estados Unidos y Canadá
se usa torón para presforzarlas y en México el alambre por lo
general es de 5 y 6 mm de diámetro. En pocos casos se usa
torón.
El análisis y diseño de una losa doble T extruida será el mismo
que se emplea para elementos prefabricados presforzados de
mayor peralte.
3.1.5
Sistemas de piso de losas alveolares
Estas losas pueden trabajar como continuas tanto para momento
negativo como para positivo (inversión de los esfuerzos
producidos por el sismo) o darles continuidad en los apoyos
(algún tipo de empotramiento) o en claros adyacentes. Para ello
se requerirá que los alvéolos sean colineales (al alinear éstos
estamos alineando las nervaduras de cada losa), el acero de la
Las losas alveolares también llamadas losas aligeradas o placas
de corazones huecos (Figura 6.18) son elementos estructurales
pretensados que se pueden usar para entrepisos, cubiertas,
fachadas de edificios y como muros de carga. Son ideales para
47
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
continuidad se coloca en la parte superior y/o inferior de los
alvéolos y posteriormente deberán de rellenarse de concreto en
la parte que se colocó el refuerzo.
3.1.6
la penetración del concreto colado en sitio entre la viga y el
corazón de la losa extruida precolada, esto puede reducir el
esfuerzo cortante y disminuir el desarrollo de momento negativo.
Además, el apoyo que proporciona la viga de soporte es mayor
y se requiere menor número de puntales para colocar los
paneles precolados. El apoyo tipo 3 es muy frecuentemente
utilizado para vigas perimetrales o muros, no necesariamente se
requiere
colocar
Malla de
Losa superior
Sistemas de piso a base de trabes T, TT y ATT
para claros grandes
Este tipo de sistema de piso es a base de elementos presforzados
de concreto. Se emplea para claros del orden de 10 a 25 m. En
el apéndice de este manual se encuentran tablas y gráficas que
permiten seleccionar el tipo de trabe dependiendo del claro y
carga gravitacional requerida.
refuerzo
colada en sitio
Concreto superior
colado en sitio
Elemento
prefabricado
Las losas ATT son elementos estructurales de concreto
prefabricado de peralte variable, que se emplean únicamente
como elemento de cubierta. Su patín superior a dos aguas
permite desalojar el agua de lluvia de manera natural (Figura
3.3). Las losas ATT se emplean como sistemas de cubierta en
naves industriales, centros comerciales, gimnasios, escuelas, etc.
En posición invertida en las cubiertas de andenes y en centrales
de autobuses. En el apéndice de este manual se muestran
características detalladas de este tipo de losa que permiten una
selección adecuada.
Longitud
de apoyo
Conexión tipo 1
Elemento de piso
con losa extruidaLosa superior
colada en sitio
Viga precolada
Mortero
Malla de
refuerzo
Tipo 1
45º
Elemento
prefabricado
Concreto superior
colado en sitio
Conexión tipo 2
Losa superior
colada en sitio
Malla de
refuerzo
3.1.7
Elemento de piso
con losa extruida
Conexiones en sistemas de piso prefabricado
Elemento
prefabricado
Los sistemas de apoyo para elementos de piso de concreto
precolado pueden ser del tipo simple o continuo. La conveniencia
del empleo de algunos de estos sistemas difiere del tipo de
aplicación. El apoyo simple conviene en claros largos cuando es
muy difícil y costoso proveer la resistencia necesaria para
momento negativo en los nudos. El apoyo continuo, conviene
más en construcciones del tipo comercial o residencial ya que se
requiere obtener continuidad.
Viga precolada
Tipo 2
Conexión tipo 3
Concreto superior
colado en sitio
Malla de
refuerzo
Elemento
prefabricado
Los tipos de conexión para sistemas de piso precolado como
losas extruidas o losas sólidas soportadas por vigas, pueden ser
divididos en tres grupos (Figura 3.4, Park, 1995). La diferencia
entre estos tipos de apoyo es el peralte de la viga de soporte
antes de la colocación del concreto colado en sitio. En el apoyo
tipo 1 (Figura 3.4) la presencia de concreto colado en sitio bien
compactado sobre los bordes del elemento de piso precolado
hace posible lograr la continuidad del momento negativo. Es
recomendable que se rompan las orillas de los huecos en los
paneles de piso precolado para que penetre el concreto colado
en sitio y que se logre la transferencia de esfuerzos cortantes. En
el apoyo tipo 2 si los huecos verticales, entre la viga de soporte y
los paneles de piso son muy pequeños, entonces es difícil lograr
Viga precolada
Losa superior
colada en sitio
Elemento de piso
con losa extruida
Barras
de acero
Límite de concreto
Sección típica
de relleno
Tipo 3
Figura 3.5 Refuerzo especial utilizado en pruebas en la
de Canterbury,
Figura 3.4 Tipos de soporteUniversidad
para pisos con
losa extruidapara la conexión
de
elementos
de
piso prefabricado (Mejia y
(Park, 1991)
Park, 1994)
concreto colado en sitio sobre la viga de soporte si no se desea
lograr un diafragma rígido.
Un método que permite pequeñas longitudes de apoyo se basa
en utilizar refuerzo especial entre los bordes del elemento de piso
y la viga de soporte que pueda soportar carga vertical en el
momento en que los elementos de piso pierdan los apoyos. Este
48
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
refuerzo, recomendado por las normas NZS 3101:1995, el
Instituto de Concreto Precolado y Presforzado y la Federación
Internacional de los Precolados, debe ser capaz de transferir el
cortante debido a la aparición de grietas verticales en el borde de
las vigas portantes. Puede tener la forma de gancho o barras en
forma de silleta, horizontal o refuerzo traslapado. Como ejemplo,
para pisos de concreto precolado tipo alveolar (Figura 3.5, Mejía
y Park, 1994), el refuerzo puede ser colocado en algunos de los
huecos que se rompen y se rellenan con concreto colado en sitio
o mortero. El refuerzo de la losa superior colada en sitio no es
suficiente para dar el apoyo necesario, ya que este podría
perderse si la losa superior se agrieta fuera de los elementos de
concreto precolado.
etapa de construcción, como en condiciones de trabajo.
La distancia del borde del miembro precolado al borde de la viga
de soporte en la dirección del claro debe de ser menor a la
longitud del claro dividida entre 180, pero no menor que 50 mm
para losas sólidas o alveolares, ó 75 mm para vigas o viguetas
presforzadas.
En estudios experimentales realizados en la Universidad de
Canterbury (Nueva Zelandia) con refuerzos especiales
colocados en huecos de los bordes de elementos precolados y
que atraviesan vigas de soporte, se han investigado tres tipos de
arreglos mostrados en la Figura 3.5 (Mejia y Park, 1994). Los
resultados indican que estos tres tipos de arreglo son capaces de
soportar cargas mínimas de servicio del piso cuando pierden los
apoyos en la orilla debido a un desplazamiento poco significativo
Cada miembro del sistema de soporte debe diseñarse
considerando la combinación de cargas desfavorables tanto en la
Conexión
Conexión
(a) viga - columna
(b) columna - columna
Conexión
Conexión
(c) viga - viga
(d) columna - columna
Conexión
49
(e) columna - zapata
Figura 3.6 Diferentes geometrías de conexiones en elementos prefabricados (Ghosh et al., 1997)
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
del piso.
deben cumplir con el concepto columna fuerte-viga débil. Para
lograr que las conexiones tengan un comportamiento semejante
al del concreto monolítico se especifican las conexiones
“humedas” y las “fuertes”, que se describen a continuación.
3.1 CONEXIONES EN MARCOS
Uno de los aspectos más importantes a considerar en el diseño
de estructuras prefabricadas de concreto a base de marcos es el
análisis y diseño de las conexiones. En lo que sigue se describen
y se comentan los aspectos más relevantes de estos criterios,
haciendo énfasis en aspectos sísmicos. Con el propósito de
uniformizar el empleo de términos, se define como “nudo” al
volumen geométrico que es común en miembros que se
intersectan. Se define como “conexión” al elemento que une los
dos elementos prefabricados, o uno prefabricado y otro colado en
sitio. La Figura 3.6 (Ghosh et al., 1997) muestra diferentes formas
y ubicaciones de conexiones que son posibles en elementos
prefabricados de marcos de concreto.
3.2.1
Conexiones húmedas y secas
En Estados Unidos y México ha sido poco común el empleo de
las conexiones llamadas “húmedas”. Estas conexiones son
aquellas capaces de tener incursiones cíclicas inelásticas, típicas
de sismos moderados o intensos, sin que la resistencia se vea
afectada. Las conexiones húmedas son aquellas que emplean
cualquiera de los métodos de conexión del acero de refuerzo
especificados por el ACI 318-95 (traslapes o conectores
mecánicos). En estas conexiones se emplea concreto colado en
obra o mortero para llenar los vacíos entre aceros de refuerzo
existentes en las conexiones. Las llamadas conexiones “secas”,
son aquellas que no cumplen con los requisitos de las conexiones
“húmedas” y, por lo general, la continuidad del acero de refuerzo
se logra por medio de soldadura. A raíz del terremoto de
Northridge de 1994, en California, ha surgido la preocupación
sobre el empleo de soldadura en conexiones de elementos
prefabricados de concreto. En este terremoto, se observaron
fallas en marcos de concreto prefabricado con las citadas
conexiones, así como en marcos de acero estructural con
conexiones soldadas. Se debe mencionar que el reciente
ACI318-99, prohibe el empleo de soldadura para empalmar el
acero de refuerzo localizado dentro de una distancia igual a dos
veces el peralte del elemento medido a cara de columna o trabe.
También lo prohibe en secciones del elemento estructural donde
se espere la formación de articulaciones plásticas durante sismos.
La experiencia que se tiene del comportamiento observado de
conexiones en marcos, tanto para sismos fuertes como en
ensayes de laboratorio, no es tan amplia como en el caso de
estructuras monolíticas de concreto reforzado. Por este motivo,
reglamentos como el de Construcciones del Distrito Federal, en
sus Normas Técnicas de Concreto de 1996 (RCDF-96),
especifica fuerzas sísmicas mayores en estructuras prefabricadas
respecto a las monolíticas. En estas últimas, se puede emplear un
factor de comportamiento sísmico, Q, hasta de cuatro (en el caso
de marcos dúctiles colados en sitio), mientras que para marcos de
concreto prefabricado se especifica generalmente para este factor
un valor de dos; sin embargo, también se acepta el valor de tres
si se demuestra a consideración del Departamento de Distrito
Federal que el diseño y el procedimiento constructivo de las
conexiones justifican el mencionado valor. En este último caso, el
resto de la estructura debe cumplir con los requisitos de marcos
dúctiles que especifica el RCDF-96.
3.2.2
Conexiones “fuertes” monolíticas
De acuerdo con el UBC 1997, una conexión “fuerte” es aquella
que permanece elástica mientras que las zonas diseñadas para
tener un comportamiento inelástico tienen incursiones inelásticas
para el sismo de diseño considerado por el reglamento
empleado. Esta condición de diseño se revisa verificando que la
resistencia nominal de la conexión fuerte, en flexión y cortante,
deba ser mayor que las componentes a las resistencias
probables de las zonas diseñadas para tener un comportamiento
inelástico.
De manera semejante al RCDF-96, el reglamento de los Estados
Unidos de Norteamérica, el Uniform Building Code 1994 (UBC
1994), especificaba que era posible emplear sistemas
prefabricados siempre que se demostrara que tenían resistencia y
ductilidad mayor o igual que las de estructuras de concreto
reforzado monolíticas. A diferencia del anterior, el nuevo
reglamento Uniform Building Code 1997 (UBC 1997),
proporciona requisitos específicos para el diseño y construcción
de conexiones en elementos prefabricados de concreto para
marcos en zonas sísmicas. La filosofía de diseño del mencionado
reglamento para estructuras prefabricadas de concreto en zonas
sísmicas se basa en tratar de lograr que las conexiones tengan
un comportamiento semejante al del concreto monolítico. Con este
criterio, se especifica que la selección de las zonas diseñadas
para tener comportamiento inelástico durante un evento sísmico
Aún cuando la ubicación de las llamadas conexiones “fuertes”
son elegidas por el diseñador, reglamentos como el UBC 1997
sugieren que se debe cumplir que el centro de la zona diseñada
para comportamiento inelástico en flexión debe estar ubicada a
una distancia de la conexión no menor que la mitad del peralte
50
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
del elemento que se conecta, como se aprecia en la Figura 3.7
(Ghosh et al., 1997). Esta Figuramuestra conexiones “fuertes”
tanto para uniones “viga-columna”, como para “columnacimentación”.
de trabe se recomienda el empleo de este último tipo de
conexiones, a menos que ensayes cíclicos de laboratorio
demuestren que la conexión “seca” es adecuada (UBC 1997).
Además, los conectores mecánicos ubicados en la conexión
“fuerte” deben poder desarrollar una tensión o compresión al
menos igual al 140% del esfuerzo de fluencia especificado en las
CONEXIÓN VIGA-COLUMNA
Ubicación de la zona
diseñada para
comportamiento inelástico
Viga
prefabricada
> h/2
Columna
prefabricada
h
Conexión
fuerte
h/2
Zona diseñada
para comportamiento
inelástico (ZDpCI)
h/2
(a)
Elemento
prefabricado
Conexión
fuerte
> h/2
h/2
h/2
(ZDpCI)
Elemento
prefabricado
Columna
prefabricada
(b)
h
h
(ZDpCI)
> h/2
(ZDpCI)
> h/2
Conexión
fuerte
> h/2
> h/2
Zapata
> h/2
> h/2
Zapata
(c)
(d)
Figura 3.7 Ubicación de conexiones “fuertes” y de regiones diseñadas para comportamiento inelástico (Ghosh et al., 1997)
barras de refuerzo que se conectan (Ghosh et al., 1997, UBC
1997). Lo anterior se basa en la preocupación existente sobre las
posibles limitaciones de las conexiones “secas” y en que es de
Una conexión “fuerte” puede ser “seca” o “humeda”. En los
casos que la conexión se ubique fuera de la parte media del claro
51
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
esperar concentraciones importantes de esfuerzos en la conexión
que pueden llevar al acero de refuerzo a niveles de esfuerzos
mayores que el valor 1.25 fy comúnmente especificado por
reglamentos para conectores.
sísmicas. En la conexión mostrada en la Figura 3.8a las trabes
prefabricadas descansan en el recubrimiento de la columna
inferior colada previamente a la colocación de las trabes; el
refuerzo negativo de la trabe se coloca en sitio. Una ventaja del
empleo de este sistema es que se logra disminuir de manera
apreciable la cantidad de cimbra en comparación con la que sería
necesaria en el colado de una estructura monolítica. Sin embargo,
una desventaja del empleo de este sistema, es que el refuerzo del
lecho inferior de la trabe prefabricada requiere una dimensión de
columna suficiente para lograr la longitud de desarrollo requerida.
Más adelante se comentan las otras conexiones que se muestran
en la Figura 3.8. La Figura 3.9 (Guidelines, 1991) muestra las
dimensiones mínimas necesarias para el gancho del acero de
refuerzo en este tipo de conexión. Para ilustrar la aplicación de
esta recomendación, consideremos por ejemplo que el refuerzo
del lecho inferior que se muestra en la Figura 3.9 es de 25.4 mm
de diámetro, de acuerdo con la recomendación, la dimensión de
la columna en el sentido del análisis deberá ser de 950 mm. Estas
dimensiones de columna podrían llevar a una solución
antieconómica para la estructura prefabricada. Con el detalle del
refuerzo del lecho superior mostrado en la Figura 3.9 se logra la
continuidad necesaria; sin embargo, es posible que no sea
factible obtener una transferencia adecuada de esfuerzos entre el
concreto y el refuerzo del lecho inferior de la conexión.
CONEXIONES FUERTES COLUMNA-COLUMNA
Los requisitos de diseño para este tipo de conexión de acuerdo al
UBC 1997 son bastante estrictos. Por ejemplo, la resistencia de
diseño de una conexión fuerte debe ser 1.4 veces la resistencia
probable de la zona diseñada para comportamiento inelástico;
además, se deben cumplir requisitos especiales para el diseño
del refuerzo transversal.
3.2.3
EJEMPLOS DE CONEXIONES EN MARCOS DE
CONCRETO PREFABRICADO
La Figura 3.8 (Park, 1995) muestra tres tipos diferentes de
soluciones de conexiones en marcos prefabricados en zonas
Concreto colado
en sitio
Concreto colado
en sitio y acero
superior en viga
CL
Viga
prefabricada
Centro del
claro
Viga
prefabricada
Algunas soluciones propuestas para estos casos, para no llegar a
dimensiones de columnas excesivas, han sido empleadas en
China, como se ilustra en la Figura 3.10. Estas conexiones
corresponden a detalles constructivos empleados en ensayes
experimentales. El espécimen estudiado con el detalle de refuerzo
de la Figura 3.10a llegó a la falla por adherencia inadecuada en
el refuerzo, mientras que con el detalle de refuerzo mostrado en
la Figura 3.10b, el espécimen ensayado alcanzó un nivel
moderado de ductilidad (Restrepo et al., 1989). Conexiones del
tipo mostradas en la Figura 3.10 han sido también empleadas en
(a) Sistema 1. Vigas prefabricadas
Columna prefabricada
o colada en sitio
Mortero
Concreto colado
en sitio y acero
superior en viga
CL
Centro del
claro
Conexión colada
Viga
prefabricada en sitio
(b) Sistema 2. Vigas prefabricadas que atraviesan columnas
Columna prefabricada
o colada en sitio
Parte vertical del
elemento en forma
de "T"
Mortero
Elemento precolado
en forma de "T"
CL
Centro del
claro
Concreto del nudo
a colado en sitio
Columna
Barras superiores
a instalar en sitio
Conexión colada
en sitio
(c) Sistema 3. Elementos prefabricados en forma de "T"
Notas:
Concreto prefabricado
Concreto colado en sitio
(No se muestra el refuerzo en elementos prefabricados)
Viga
prefabricada
Figura 3.8 Ejemplos de conexiones para elementos
prefabricados (Park, 1995)
> 2 ldh ó ldh + 10 db - g
g
52
Figura 3.9 Conexión viga–columna (Guidelines, 1991)
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
Rumania y Japón (Guidelines, 1991).
21 db
trabe. Como en el caso del sistema mostrado en la Figura 3.8a, el
refuerzo negativo de las trabes se coloca en obra. Una ventaja
de empleo del sistema que se comenta es que el comportamiento
inelástico en el sistema se concentra en zonas alejadas de las
conexiones prefabricadas (conexión “fuerte”). Además, la
construcción de la unión viga-columna, que es generalmente
compleja en estructuras dúctiles, puede hacerse en la planta de
prefabricación, facilitando su construcción. Una posible limitación
de su empleo podría ser la supervisión cuidadosa que es
necesaria para lograr las tolerancias necesarias en este tipo de
sistemas prefabricados.
15 db
8 db
(a)
15 db
(b)
El tercer sistema prefabricado, mostrado en la Figura 3.8c,
permite un empleo amplio de la prefabricación, así como la
eliminación de la construcción en obra de detalles de refuerzo
complejos. Este caso también correspondería a una conexión
“fuerte”. Una posible limitación de su empleo sería la necesidad
de elementos pesados y de grandes dimensiones, así como de
elementos de izaje de gran capacidad.
Figura 3.10 Conexión viga–columna en china (Restrepo et
al., 1989)
En México se han empleado recientemente conexiones con
características semejantes a las mostradas en la Figura 3.10a
(Carranza et al., 1996), con la diferencia de que el refuerzo del
lecho inferior se conecta por medio de estribos interiores;
además, se colocan ganchos dejados en los ductos de las trabes
con el fin de formar estribos en la columna como se muestra en la
Figura 3.11 (Carranza 1997). Los detalles de esta
Figuracorresponden a una obra construida en la ciudad de
México. Dependiendo del tamaño de las columnas, como se ha
comentado para el análisis de la Figura 3.9, el comportamiento de
la conexión mostrada en la Figura 3.11 podría ser relevante
para lograr un comportamiento sísmico adecuado en edificios a
base de marcos. Recientemente en México se han efectuado
ensayes ante cargas laterales cíclicas reversibles en una
estructura prefabricada con conexiones de este tipo. Los
resultados (Rodríguez y Blandón, 2000) indican que los estribos
complementarios que se indican en la Figura. 3.11 no
contribuyen al desarrollo de los esfuerzos en tensión requeridos
en el refuerzo de lecho inferior, por lo que su participación es
despreciable.
3.2 Muros estructurales prefabricados
Viga
Estribos complementarios
cerrados #5
Dobleces alternados
4 Ganchos
perimetrales #4
Columna
0.70mx0.70m
En los casos que se consideren marcos con muros estructurales
(sistema dual), las conexiones del tipo de la Figura 3.11 podrían
no estar sometidas a demandas importantes de deformaciones
por acciones sísmicas, como podría ocurrir en sistemas
estructurales a base de marcos (Rodríguez y Blandón, 2000).
Concreto colado
en sitio
PLANTA
Columna
0.70mx0.70m
3#12
Acero negativo
a colocar en sitio
El sistema prefabricado mostrado en la Figura. 3.8b tiene la
ventaja de emplear de manera amplia elementos prefabricados.
Las columnas pueden ser prefabricadas o coladas en sitio, el
refuerzo longitudinal de éstas atraviesa ductos construidos en la
trabe prefabricada que en el sitio son inyectados con mortero.
Como se aprecia en la Figura 3.8b, el refuerzo longitudinal de las
trabes prefabricadas se une en la conexión a mitad del claro de la
Estribo #4
@0.15m
#8
0.55m
Viga
53
4 ganchos
perimetrales #4
Estribos complementarios
cerrados #5 dobleces
alternados
SECCION A-A
Figura 3.11 Conexión viga–columna (Carranza, 1997)
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
En los sistemas de construcción de concreto prefabricado también
se utilizan los denominados sistemas a base de muros
estructurales o paneles. Este tipo de construcción es ampliamente
utilizado en países como Japón, China, Cuba, Rusia y la mayoría
de los países que económicamente dependían de la antigua
Unión Soviética de los cuales algunos se encuentran en zonas de
alta sismicidad. Este tipo de construcción se caracteriza por contar
con paneles o muros estructurales aislados que generalmente
tienen características de resistencia y capacidad de deformación
igual o superior a los empleados en las estructuras monolíticas.
estructurales de concreto reforzado en combinación con marcos
estructurales, también llamado sistema dual, ofrecen varias
ventajas. En este sistema, los muros estructurales pueden ser
diseñados para resistir la mayor parte de la fuerza horizontal
actuante en el edificio, por otra parte los marcos solo resisten una
pequeña porción de dichas fuerzas horizontales, la que está
determinada por la rigidez relativa entre muros y marcos. De esta
manera, cuando este sistema es utilizado en regiones que
presentan actividad sísmica los elementos estructurales de los
marcos resisten principalmente cargas gravitacionales.
El aspecto clave del diseño de sistemas estructurales con este tipo
de elementos precolados, al igual que en la mayoría de los otros
sistemas precolados, es la concepción, el análisis y el diseño de
las conexiones, lo que permitirá al conjunto alcanzar niveles de
capacidad de deformación similar a los observados en estructuras
monolíticas.
Como se indica en la mayoría de los reglamentos para la
construcción de estructuras de concreto reforzado, en el análisis y
el diseño de los sistemas prefabricados a base de muros
estructurales se considera el comportamiento de estas estructuras
como monolíticas. Además, con base en los elementos mecánicos
que se obtengan de un análisis elástico convencional se
determinan las características dimensionales y de refuerzo de los
muros estructurales.
Los muros de concreto reforzado en edificios son conocidos como
un sistema eficiente para resistir fuerzas horizontales debidas a
acciones sísmicas. En general, un sistema a base de muros
puede tener amplia rigidez, con lo cual los desplazamientos
estructurales durante movimientos sísmicos se reducen
significativamente. En consecuencia, se logra un alto grado de
protección contra daños por sismo en elementos tanto
estructurales como no estructurales.
En la construcción de muros estructurales prefabricados de
concreto se pueden tener conexiones “fuertes” o “débiles”. En la
construcción de muros con conexiones fuertes los elementos
precolados son unidos por medio de conexiones que poseen
características de resistencia y capacidad de deformación lateral
semejantes a los de una construcción monolítica. En la
construcción de muros con conexiones débiles, el diseño de éstas
gobierna el comportamiento de los muros.
En México existen más edificios con marcos que con muros
estructurales. Esto se puede explicar por la preferencia de los
arquitectos a tener espacios abiertos, lo que con los muros
estructurales requiere mayor trabajo en la etapa del diseño
arquitectónico. Sin embargo, las estructuras que contienen muros
EJEMPLOS DE CONEXION ES ENTRE MUROS
ESTRUCTURALES DE CONCRETO PREFABRICADO
54
ld (barra) +A
1
1
Salida de mortero
Camisa de acero
Inyección de mortero
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
ld (barra) +A
Concreto colado
en sitio sobre
sistemas de piso
prefabricado
Las conexiones entre muros estructurales de concreto
prefabricado son de dos tipos: las conexiones horizontales y las
conexiones verticales. Las primeras generalmente son
conexiones de muro con sistema de piso, pudiendo ser con
trabes o directamente con la losa, mientras que las segundas
pueden ser conexiones entre dos muros estructurales. El análisis
de las conexiones horizontales en general es sencillo,
considerando que se deberá transmitir en el muro el cortante de
entrepiso originado por las acciones sísmicas. La condición de
cortante directo se presentará en estructuras de pocos niveles en
comportamiento predominante de cortante (hasta tres niveles
aproximadamente). La condición de flexo-compresión-cortante se
podrá presentar en estructuras con mayor número de niveles
donde el momento de volteo resulte de consideración. En ambos
casos deberán revisarse las condiciones de falla probable por
deslizamiento de la base.
Junta horizontal
rellena de mortero
Barra de unión
2A
1
1
Ducto de metal
corrugado
Inyección de mortero
Concreto colado
en sitio sobre
sistemas de piso
prefabricado
ld (barra) +A
l d (barra)+A
Salida de mortero
Junta horizontal
rellena de mortero
Barra de unión
2A
Ducto de metal corrugado
o camisa de acero
Las conexiones horizontales entre muros estructurales de
concreto prefabricado generalmente se rellenan con mortero. El
refuerzo vertical se conecta utilizando empalmes con camisas de
acero o traslapes formados por ductos de metal corrugado.
Algunos detalles típicos de conexiones horizontales se muestran
en la Figura 3.12 (Park, 1995). Cuando se utilizan ductos de
metal corrugado, las primeras barras que se proyectan dentro de
los ductos generalmente son diseñadas con la longitud total de
desarrollo.
Refuerzo
vertical
Barras de amarre
con el acero vertical
Alternativa 1
Sección 1-1
Refuerzo horizontal unido
directamente al ducto de
metal corrugado o a la
camisa de acero
Las conexiones verticales están sujetas a esfuerzos
principalmente de cortante. Para evaluar la magnitud de los
mismos se aplica la teoría de resistencia de materiales del caso en
cantiliver, analizando los esfuerzos cortantes en la fibra donde se
encuentra la conexión vertical entre dos muros. Como condición
de diseño se considerará el estado más desfavorable que es
cuando el sistema de piso se apoya o está ligado únicamente al
muro perpendicular al sentido de la carga. Así, la estabilidad de
este muro la proporcionarán los muros orientados en la dirección
de carga. Para el diseño de las conexiones, una vez
determinados los elementos mecánicos que actúan en ellas, al
igual que en cualquier elemento o sistema estructural, bastará con
verificar que los elementos mecánicos requeridos resulten
menores que la resistencia en la conexión. En este tipo de
conexión, el denominado refuerzo efectivo en la interface deberá
estar sujeto a esfuerzos de tensión menores que 0.6 yf (fy =
esfuerzo de fluencia). Si este acero de refuerzo de la unión tiene
un nivel de esfuerzos superiores al valor mencionado, esas
barras serán incapaces de soportar cortante directo por medio
del efecto de dovela, y por lo tanto no deberán considerarse para
resistir fuerza cortante, únicamente se considerarán en su
contribución a la resistencia a flexión.
Alternativa 2
Sección 1-1
Figura 3.12 Detalles de conexiones horizontales entre
muros de concreto prefabricado (Park, 1995)
En las conexiones entre muros estructurales de concreto
prefabricado los bordes deberán de picarse o en la cimbra
emplear madera que presente una superficie rugosa y así evitar
falla por deslizamiento.
Las conexiones verticales entre paneles se hacen generalmente
con listones de concreto colado en sitio. El acero de refuerzo
horizontal de los paneles adyacentes que sobresale se traslapa
en la zona de unión. El ancho de la junta colada en sitio está
determinado por la longitud de desarrollo del acero de refuerzo,
algunos detalles comúnmente utilizados se muestran en la Figura
3.13 (Park, 1995).
55
Concreto colado
en sitio (CCeS)
Pánel de concreto
precolado
(PCP)
Capítulo
Refuerzo horizontal
traslapado (RHT)
ld de barra
horizontal
Refuerzo vertical
Borde
3 Estructuración
con(RVT)
elementos prefabricados
típico
rugoso
Tipo A
ldh
(CCeS)
(RHT)
3.3 DIAFRAGMAS
(PCP)
ACCIÓN DE DIAFRAGMA
Borde
rugoso
(RVT)
Tipo B
El sistema de piso de una edificación debe ser capaz de transmitir
las fuerzas sísmicas actuantes en el piso a los elementos o
sistemas sismorresistentes, comúnmente marcos o muros
estructurales. Cuando se logra este objetivo, se dice que existe la
“acción de diafragma” o de “diafragma rígido”. La hipótesis de
diafragma rígido es esencial en el análisis y diseño sísmico de
edificios, y su empleo permite simplificar de manera considerable
el proceso del análisis y de diseño sísmico de edificaciones.
l dh
(CCeS)
(PCP)
(RHT) con
ganchos a 90º
Borde
rugoso
(RVT)
Tipo C
Refuerzo
horizontal
(CCeS)
(PCP)
(RVT)
Tipo D
El problema es de especial relevancia en sistemas en que se
combinen muros estructurales y marcos, donde los primeros
resistan la mayor parte de las acciones sísmicas y los marcos se
diseñen principalmente para resistir las acciones gravitacionales.
En estos casos, si el diafragma no puede considerarse rígido,
bajo acciones sísmicas el sistema para resistir las acciones
gravitacionales (marcos) podría tener demandas de
deformaciones relativas de entrepiso bastante mayores que las
correspondientes a los muros estructurales, lo que puede llevar a
daños severos o colapsos en los marcos si el comportamiento de
diafragma flexible no fue considerado en el diseño.
Refuerzo
horizontal
(CCeS)
(PCP)
(RVT)
Tipo E
Figura 3.13 Detalles de conexiones verticales entre muros
de concreto prefabricado (Park, 1995)
estáticos no lineales (Fleischman et al., 1998), indican que los
diafragmas de algunos de estos edificios alcanzaron
deformaciones por flexión importantes, debido principalmente a la
forma alargada en planta del sistema de piso. Estas
A pesar de la importancia de lograr el diafragma rígido, el
enfoque de reglamentos de construcción para verificar que se
logre el referido comportamiento en general es bastante simplista.
Esto se debe a que a diferencia de la amplia experiencia en
laboratorio y en sismos intensos que se tiene en el
comportamiento de diversos elementos estructurales tales como
trabes, columnas o muros estructurales, la experiencia referente
al problema del diafragma rígido es bastante menor. En el
terremoto de Northridge, California, en 1994, se observaron
evidencias de comportamientos de diafragmas diferentes al de
diafragma rígido (Fleischman et al., 1998). En este terremoto,
varios edificios para estacionamiento de elementos prefabricados,
construidos a base de combinación de muros estructurales y
marcos, con un firme colado sobre el sistema de piso
prefabricado, tuvieron daños severos o colapsos. Análisis
Desplazamiento del
diafragma
Nivel i
Desplazamiento relativo
de entrepiso
Figura 3.14 Deformaciones en un diafragma de piso rígido
deformaciones llevaron a distorsiones de entrepiso bastante
mayores que las consideradas en el diseño original.
56
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
El RCDF-96 contiene criterios bastante simplistas y generales
del piso correspondiente”. Este estado de deformaciones se
Firme y elementos
prefabricados de
concreto
Muro
Muro
Elementos de piso
prefabricados
Zona de
compresión
PLANTA
ral
late
n
ió
Acc
Vigas de borde actúan como
elementos en compresión
Vigas actúan como
tirantes (estribos)
Elementos
en tensión
Cortante
resistido
Muro
estructural
por muros
Elementos requeridos en
la losa o vigas para
Tensión transmitir cortante al muro
Fuerza de compresión
diagonal en Muro
el piso
estructural
Elemento en tensión
Vigas de borde actúan como
elementos en tensión
Figura 3.16 Modelo de puntal y tirante para el análisis de fuerzas en un diafragma (Guidelines, 1991)
Figura 3.15 Fuerzas actuantes en un diafragma de un sistema de piso prefabricado (Elliot et al., 1992)
para revisar que un sistema de piso prefabricado pueda tener un
comportamiento de diafragma rígido. De acuerdo con este
reglamento, el referido comportamiento en un sistema de piso
prefabricado se puede lograr con un firme colado sobre los
elementos prefabricados “a condición de que se dimensione de
modo que por sí solo resista las acciones de diseño que actúan
en su plano”. Además, el RCDF-96 especifica que “el espesor
del firme no será menor que 6.0 cm, si el claro mayor de los
tableros es de 6.0 m ó más. En ningún caso será menor que 3.0
cm”.
ilustra en la Figura. 3.14.
En Nueva Zelandia se considera que un firme colado en sitio, de
al menos 5 cm es suficiente para transmitir las fuerzas en el plano
del diafragma en sistemas de piso prefabricados. En algunos
países, como en Japón, es permitido el empleo de sistemas de
piso prefabricados sin el mencionado firme colado en sitio.
Además, a diferencia de la práctica constructiva de
prefabricados en los Estados Unidos, el RCDF-96 sugiere la
colocación de “conectores que impidan que el firme se separe de
los elementos prefabricados”.
El reglamento Uniform Building Code de 1991, para Estados
Unidos, sugiere un criterio también bastante simplista para definir
la frontera entre diafragma rígido y flexible, este último lo define
como aquel donde, “la deformación lateral máxima del diafragma
es mayor de dos veces el desplazamiento relativo de entrepiso
La Figura 3.15 (Elliott et al., 1992), muestra de manera ilustrativa
las fuerzas actuantes en un diafragma de un sistema de piso
prefabricado sin firme. En ella se observan fuerzas en tensión y
de cortante que se deben transmitir en el diafragma.
57
Capítulo 3 Estructuración con elementos prefabricados
RESISTENCIA DE DIAFRAGMAS
4.
5.
Como se ha comentado en la sección anterior, el RCDF-96
especifica de manera muy general la necesidad de revisar que el
sistema de piso resista las acciones de diseño para lograr el
comportamiento de diafragma. Un procedimiento sencillo que
puede emplearse para la referida revisión se basa en el empleo
de la teoría del puntal y tirante, con la cual es posible tener una
idea burda, pero rápida, del flujo de fuerzas en el diafragma.
6.
7.
La Figura 3.16 muestra de manera gráfica la aplicación de esta
teoría, la que permite detectar fuerzas en compresión y tensión.
Estas fuerzas, en compresión deben ser resistidas por el concreto
del diafragma, especialmente en las esquinas, donde concurren
fuerzas de tensión análogas a las existentes en estribos en una
viga. Este problema es relevante en el caso de sistemas de piso
prefabricados a base de losas extruidas donde, como muestra la
Figura 3.17, es posible que se formen grietas horizontales que
pueden causar la rotura de la parte inferior de este tipo de losas
prefabricadas. También, la Figura 3.16 muestra fuerzas
adicionales en tensión actuantes en las zonas losa o trabe que
conectan a los muros estructurales. En general este
procedimiento de análisis es especialmente útil en geometrías
irregulares de diafragmas, así como en los casos de aberturas
importantes en el sistema de piso.
8.
Posible agrietamiento horizontal
debido a la componente inclinada
de la fuerza de compresión
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Concreto colado
en sitio
Compresión en
el elemento
Figura 3.17 Posible agrietamiento debido a compresión en losas extruidas (Guidelines, 1991)
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1.
2.
3.
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59